Основы строительства нефтяных и газовых скважин


А. А. Ладенко




ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 620.193:622.24.05
ББК 33.131
     Л15



Рецензенты:
д-р. техн. наук, проф., зав. кафедрой НГ им. проф. Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ» Д. Г. Антониади;
д-р. техн. наук, проф. кафедры НГ им. проф. Г. Т. Вартумяна
ФГБОУ ВО «КубГТУ» Е. П. Запорожец;
заместитель главного инженера филиала ООО «Газпром ПХГ» «Краснодарское УПХГ» А. В. Архипов

    Ладенко, А. А.
Л15       Основы строительства нефтяных и газовых скважин : учебное по-
    собие / А. А. Ладенко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -196 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1004-5

    Представлены общие сведения о строительстве и бурении нефтяных и газовых скважин, физико-механических свойствах горных пород и процессах их разрушения при бурении. Даны режимные параметры и показатели бурения, техника и технологии бурения стволов. Рассмотрены осложнения и аварии в процессе бурения, состав основных документов, учет и контроль строительства скважин.
    Для студентов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело».

                                                   УДК 620.193:622.24.05
                                                   ББК 33.131












ISBN 978-5-9729-1004-5

     © Ладенко А. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                СОДЕРЖАНИЕ





    ВВЕДЕНИЕ......................................................5
    ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ И БУРЕНИИ
НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН........................................7
    1.1. Основные элементы и требования к конструкции скважин....15
    1.2.    Структура производственного цикла строительства скважины. Организация работ................................................24
    1.3. Классификация и виды скважин............................28
    1.4. Горно-геологические условия и способы бурения скважин.30
    ГЛАВА 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАЛЕЖИ, ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОЦЕСС ИХ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ .... 52
    2.1.    Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения......................................52
    2.2.   Пластовые давления....................................53
    2.3.   Испытания в процессе бурения..........................56
    2.4.   Крепление скважин.....................................58
    2.5.    Основные закономерности разрушения горных пород при бурении......................................................58
    2.6.   Параметры буровых растворов и методы их измерения.....69
    ГЛАВА 3. РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПОКАЗАТЕЛИ
БУРЕНИЯ..........................................................73
    3.1. Влияние режимных параметров на показатели бурения.......73
    3.2. Особенности режимов вращательного бурения...............78
    ГЛАВА 4. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СТВОЛОВ 89
    4.1. Назначение и условия эксплуатации бурового оборудования.89
    4.2. Технологический буровой инструмент......................92
    4.3. Выбор и условия работы бурильной колонны...............100

3

    4.4. Забойные двигатели..................................102
    4.5. Направленное бурение скважин........................106
    4.6. Типы профилей и рекомендации по их выбору...........109
    4.7. Технические средства направленного бурения..........113
    4.8. Бурение скважин с кустовых площадок.................118
    4.9. Крепление скважин обсадными трубами.................118
    4.10. Цементирование скважин.............................119
    4.11. Вскрытие продуктивного пласта......................124
    4.12. Оборудование для строительства скважин.............127
    ГЛАВА 5. ОСЛОЖНЕНИЯ И АВАРИИ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ......................................................167
    5.1.    Осложнения, вызывающие нарушение целостности стенок скважины..............................................171
    5.2.   Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора.175
    5.3.    Предупреждение газовых, нефтяных и водяных проявлений и борьба с ними..............................................177
    ГЛАВА 6. ОСНОВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ, УЧЕТ И КОНТРОЛЬ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН........................................184
    6.1. Технический проект строительства скважин............184
    6.2. Смета на строительство скважин......................185
    6.3.    Основные документы перед началом строительства (геолого-технический наряд, наряд на производство буровых работ, инструктивно-технологическая карта)..........................187
    6.4.    Фактическая карта строительства скважин. Оперативный и статистический учет результатов буровых работ..............188
    СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................191

4

                ВВЕДЕНИЕ





    Нефтегазовый комплекс играет главную роль в экономике Российской Федерации. Поэтому довольно актуальным является строительство нефтяных и газовых скважин. С каждым годом объем добычи черного золота увеличивается. В прошлом году Россия заняла третью позицию в мировом рейтинге по производству нефти, уступив место лишь США и Саудовской Аравии [1, 6, 10, 12].
    Ведущие месторождения черного золота в РФ: Самотлорское, Ромашкин-ское, Приобское, Лянторское, Федоровское, Салымская группа, Уренгойское, Мамонтовское, Красноленинская группа и многие другие. В основном все они приватизированы. Более 50 % полученной продукции идет на экспорт. Главными импортерами российской нефти являются Нидерланды, Китай, Германия, Польша, США и Япония.
    Нефть и газ добывают, используя скважины, которые сооружают посредством операций бурения и крепления.
    Бурение первых скважин в России относится к IX веку и связано с добычей растворов поваренной соли в районе г. Старая Русса. В окрестности г. Соликамска были построены скважины для добычи растворов соли глубиной 100 м при начальном диаметре 1 м.
    Стенки скважин обваливались, поэтому для их крепления использовали стволы деревьев или трубы, сплетенные из ивовой коры. В конце XIX века стенки скважин стали делать из железных труб. Их гнули из листового железа и склепывали. При углублении скважины трубы продвигали вслед за буровым инструментом (долотом); для этого их делали меньшего диаметра, чем предшествующие. Позднее эти трубы стали называть обсадными [1, 4, 6, 9, 10].
    Первые упоминания о применении бурения для поиска нефти относятся к 30-м годам XIX века. На Тамани, прежде чем рыть нефтяные колодцы, производили предварительную разведку буравом.
    Первая нефтяная скважина в мире была пробурена на Кавказе 14 июля 1846 г. на месторождении Биби-Эйбат.
    Первоначально вращение долота осуществлялось вращением всей колонны бурильных труб с поверхности земли. Однако при большой глубине скважин вес этой колонны очень большой. Поэтому еще в XIX веке появились первые предложения по созданию забойных двигателей, т. е. двигателей, размещаемых в нижней части бурильных труб непосредственно над долотом.
    В 1899 г. в России был запатентован электробур, представляющий собой электродвигатель, соединенный с долотом и подвешенный на канате. В 1940 г. электробуром была пробурена первая скважина.
    Турбобур был изобретен в 1922 г. М. А. Капелюшниковым. Он представлял собой одноступенчатую гидравлическую турбину с планетарным редуктором. Турбина приводилась во вращение промывочной жидкостью, подаваемой в скважину [1, 6, 9].
    Бурение - это процесс сооружения скважины путем разрушения горных пород. Бурение скважин применяют с целью оконтуривания залежей, а также

5

определения глубины залегания и мощности нефтегазоносных пластов. В процессе бурения отбирают керн-цилиндрические образцы пород, залегающих на различной глубине. Анализ керна позволяет определить его нефтегазоносность.
    Для извлечения из пластов нефти и газа применяют различные методы вскрытия и оборудования забоя скважины. В большинстве случаев в нижней части эксплуатационной колонны, находящейся в продуктивном пласте, простреливают (перфорируют) ряд отверстий в стенке обсадных труб и цементной оболочке.
    Эксплуатационные скважины закладываются в соответствии со схемой разработки залежи и служат для получения нефти и газа из земных недр.
    Строительство скважин можно свести к следующим этапам: подготовка площадки под буровое оборудование, транспортировка, вышкостроение и монтаж оборудования, механическое углубление, крепление и промывка скважин, вспомогательные работы (воздействие на пласт и др.) и спуско-подъемные операции, освоение скважин, эксплуатация, ремонт, перевод под другое назначение, ликвидация.
    Достижение высокого уровня добычи нефти и природного газа требует соответствующего увеличения объема буровых работ, а следовательно, и затрат на изготовление бурового оборудования и инструмента, на содержание эксплуатационного фонда, оборудования для эксплуатации.
    Поэтому большое значение приобретает проблема повышения надежности и долговечности оборудования как одного из важнейших направлений увеличения производительности, снижения материальных и денежных затрат на эксплуатацию оборудования и инструмента.
    Буровое оборудование эксплуатируется в специфических и сложных условиях. Буровые работы осуществляются по системе тесного взаимодействия оборудования, в которой отказ или неисправность одного из них препятствует нормальной работе всей системы [7].

6

ГЛАВА 1





                ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ И БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
                [1, 6, 8, 10-12 И ДР.]




    Нефтегазовый комплекс играет главную роль в экономике Российской Федерации. Поэтому довольно актуальным является строительство нефтяных скважин. С каждым годом объем добычи черного золота увеличивается. Нефть и газ добывают, используя скважины, которые сооружают посредством операций бурения и крепления.
    Процес строительства нефтяных и газовых скважин сложный, включающий последовательные и между собой зависимые операции.
    Длительность цикла определяется суммой продолжительности отдельных трудовых процессов. Она зависит от ряда факторов:
    -      природных условий (рельеф местности, глубина бурения скважин, характер разбуриваемых пород, толщина и число продуктивных горизонтов;
    -      уровня технической оснащенности предприятий (характер и состояние применяемой техники при проведении различных операций, наличие средств контроля за процессом бурения);
    -      состояния организации ведения работ (организация обслуживания, уровень квалификации работников, уровень руководства работами).
    Сокращение продолжительности цикла строительства скважин имеет большое экономическое значение. Оно позволяет повысить производительность труда работников бурового предприятия, снизить себестоимость строительства (около 65 % всех затрат на строительство скважин зависят от его продолжительности), улучшить степень использования оборудования. Все это, в конечном счете, обеспечивает рост прибыли предприятия и рентабельности производства.
    В таблице 1.1 представлена структура производственного цикла строительства скважины.

Таблица 1.1

Структура производственного цикла строительства скважины

Состав производственных процессов         Структура цикла, %           
   цикла строительства скважин    Эксплуатационное Разведочное бурение
                                      бурение                         
                1                        2                  3         
Подготовительные работы                 6,5                4,0        
к строительству скважины                                              
Вышкомонтажные работы                   10,1              11,0        
Подготовительные работы к бурению       4,4                1,5        
Бурение скважины и ее крепление         50,5              50,0        
Испытание скважины                      24,0              29,5        

7

Окончание таблицы 1.1

          1             2     3  
Демонтаж оборудования  4,5   4,0 
       Итого:         100,0 100,0

     Процесс бурения (проводки скважины) включает в себя следующие операции: механическое бурение (разрушение горной породы); спуско-подьемные операции, связанные со сменой изношенного долота; подготовительновспомогательные работы (наращивание инструмента, электрометрические исследования и т. д.); крепление ствола (спуск обсадных колонн и их цементирование); работы по ремонту оборудования, ликвидация осложнений, аварий, брака.
     Все технические и организационные мероприятия в процессе механического бурения в первую очередь направлены на повышение скорости проходки и сооружения скважины в заданном направлении.
     Повышение скорости бурения в значительной мере зависит от правильного выбора режима, к основным параметрам которого относятся осевая нагрузка на долото, частота его вращения, количество и качество промывочной жидкости.
     Спуско-подьемные операции относятся к наиболее трудоемким работам. На них приходится до 40 % всего времени.
     Механизация этих работ является наиболее эффективным средством ускорения и облегчения проведения.
     Использование испытателей пластов в процессе бурения дает возможность отказаться от спуска обсадной колонны, если пласт оказывается «сухим».
     Одной из основных черт рациональной организации производственного процесса является отсутствие в ходе его выполнения перерывов, не предусмотренных технологией производства. Перерывы в процессе бурения скважин связаны с ремонтом бурового оборудования, ликвидацией осложнений и аварий, а также организационными неполадками.
     Затраты времени на ремонт в общих затратах на бурение в среднем составляют 6 %. Для его сокращения необходим своевременный профилактический осмотр оборудования, проведение ремонтов параллельно с другими работами (например, ремонт буровых насосов возможно проводить во время спуско-подьемных операций).
     В процессе бурения возникают различного рода осложнения, в основном геологического характера (поглощение промывочной жидкости, осыпание пород, нефтегазопроявления и т. д.). Работы по их ликвидации занимают около 5-7 % общих затрат времени на бурение.
     Могут происходить аварии по техническим причинам (слом бурильных труб, долот и т. д.) или по вине буровой бригады (прихват инструмента, разрушение долота в результате нарушения режима бурения и т. д.).
     Затраты по ликвидации аварий занимают до 15-20 % общих затрат времени. Основные мероприятия по снижению аварийности - соблюдение заданной технологии, профилактика оборудования и инструмента, обучение буровых бригад правилам безаварийной работы.

8

    Большая доля в общих затратах на бурение скважины (около 15 %) приходится на простои организационного характера. Особенно они велики из-за отсутствия электроэнергии, воды, транспорта, рабочих и т. д.
    Для уменьшения простоев необходимо своевременное обустройство районов разбуривания и создания систем энерго- и водоснабжения, дорог, баз по ремонту оборудования, а также организация планово-предупредительного ремонта и материально-технического снабжения буровых предприятий и бурящихся скважин.
    Частичные производственные процессы, связанные со строительством скважины, делятся на основные и вспомогательные.
    К основным относятся: вышкомонтажные работы, бурение и крепление ствола скважины, ее испытание.
    Важнейшие виды вспомогательных процессов следующие: выработка энергии различных видов; техническое обслуживание орудий труда (профилактические осмотры оборудования, текущий и капитальный ремонт, изготовление запасных частей и деталей); проведение геофизических исследований (замер кривизны и азимута ствола); другие электрометрические исследования; проведение заливочных работ (установка цементных мостов в скважине, цементирование обсадных колонн); прочие виды обслуживания (транспортировка грузов, лабораторные исследования, хранение инструмента, материалов и др.).
    На рисунке 1.1 представлена производственная структура нефтегазодобывающего предприятия (АО, ЗАО, ООО).

Рисунок 1.1 - Производственная структура нефтегазодобывающего предприятия (АО)

Обслужива-

Экономичсс-кое обслужи-

    Примечание: ПБ - бригада, проводящая подготовку к строительству; ВБ - вышкомонтажная бригада; РБ - ремонтная бригада; ПНБ - бригада, проводящая подготовительные работы к бурению (пусконаладочная бригада); ББ - буровая бригада; БИ - бригада по испытанию скважин.

9

    В настоящее время применяются несколько форм организации работ по строительству скважин, которые являются разновидностью двух основных -специализированной и комплексной.
    При специализированной форме (табл. 1.2) отдельные элементы цикла строительства скважины выполняют высококвалифицированные специализированные бригады.


Таблица 1.2

Формы организации работ по строительству скважин

 Подготови-                                                            
   тельные     Вышкомон-     Ремонт    Подготови-   Бурение   Испытание
  работы к     тажные и   оборудования  тельные   и крепление  скважин 
строительству демонтажные в монтажный    работы                        
  скважины      работы       период    к бурению                       
                   1. Специализированная форма                          
     ПБ           ВБ           РБ         ПНБ         ББ         БИ    
                       2. Комплексная форма                             
     ПБ           ББ           ББ          ББ         ББ         ББ    

    При этом обеспечивается быстрое и качественное проведение работ. Эта форма особенно эффективна в условиях высокой концентрации буровых работ. Ее недостатком является невозможность закрепления бурового оборудования за отдельными буровыми бригадами, сложность координации работ специализированных бригад, участвующих в строительстве скважин.
    При комплексной форме организации все работы (кроме подготовительных работ к строительству) производит универсальная буровая бригада, в состав которой вводится звено вышкомонтажников. Эта форма организации позволяет закрепить буровое оборудование за бригадами, улучшить его использование, обеспечить полную загруженность бригады.
    Процесс строительства скважин имеет ряд особенностей, отличающих его от процессов других производств нефтяной и газовой промышленности. Они значительно влияют на характер организации работ, производственную структуру бурового предприятия и, следовательно, на экономические результаты его деятельности:
    -      на обработку предмета труда значительное влияние оказывает природный фактор;
    -      проходка ствола осуществляется с поверхности земли на значительные глубины. Это обусловливает применение таких технических средств, которые обеспечивали бы бурение скважины в точно заданном направлении, контроль за работой породоразрушающего инструмента, его доставку на забой и обратно. Бурение ведется без доступа человека к забою;


10

    -      различие состава разрушаемых пород, возможность появления сложных для разбуривания пластов и горизонтов требует организации специальных служб, ведущих систематический контроль за процессом бурения;
    -      предмет труда территориально закреплен и обособлен. Место производства работ определяется в зависимости от наличия скоплений нефти и газа, что приводит к значительной разбросанности производственных объектов и удаленности их от баз снабжения, ремонта, жилья. Это требует организации дополнительных участков, строительства дорог и т. д. Все это усложняет организацию производственного процесса;
    -      производство буровых работ предусматривает систематическое перемещение громоздкого бурового оборудования с одного объекта строительства на другой. Возникает необходимость организации очень сложного и трудоемкого процесса демонтажа, перевозки и монтажа буровых установок. Для проведения работ создаются специальные службы (вышкомонтажные управления или цехи);
    -      геологические особенности месторождений, выражающиеся в наличии обваливающихся пород, зон поглощений промывочной жидкости, нефте-, газо-и водопроявляющих горизонтов требует спуска в скважину и цементирования обсадных колонн. Процесс цементирования осуществляют специальные службы (тампонажное управление или цех);
    -      строительство скважин связано с вскрытием, опробованием и освоением продуктивных горизонтов (испытание скважин). Характер проведения процесса испытания скважин зависит от числа продуктивных горизонтов, их мощности, давления нефти и газа в пластах. Для проведения работ создаются специальные цехи;
    -      процесс бурения скважины (обработка предмета труда) является непрерывным, и для контроля за его круглосуточным ходом создаются специальные инженерно-технологические службы (центральные и районные);
    -      готовая продукция не требует доставки до потребителя, поэтому в составе буровых организаций отсутствуют сбытовые подразделения.
    Перечисленные особенности процесса строительства скважин, продукции, масштабы (концентрация) производства, степень его специализации и кооперирования, разбросанность объектов, наличие коммуникаций и т. д. определяют производственную структуру предприятия. С учетом этих факторов выделяются три типа (структуры) буровой организации (управления буровых работ -УБР или управления разведочного бурения - УРБ):
    -      глубоко специализированная (максимально возможное выделение из состава предприятия служб подсобно-вспомогательного производства и концентрация его в рамках специализированных подразделений: транспорт, материально-техническое снабжение и т. д.). Такие структуры наиболее эффективны при значительной концентрации буровых работ в регионе (рис. 1.2);
    -      универсальная или комплексная (максимально возможное сохранение в составе предприятия подразделений вышкомонтажного, тампонажного, вспомогательного производства). Такая структура эффективна в случае значитель

11

ной разбросанности производственных объектов, отдаленности от баз ремонта, снабжения и т. д., относительно незначительного объема работ в районе расположения предприятия;
    - частично специализированная (выделение из ее состава только некоторых служб, например, транспортных).


УБР или УРБ


Вспомогательное и обслуживающее производство

Рисунок 1.2 - Производственная структура управления буровых работ (управления разведочного бурения)

    В соответствии с делением производственных процессов на основные и вспомогательные все цехи и хозяйства УБР также делятся на основные и вспомогательные. Деятельность основного и вспомогательного производств координируют в целях выполнения оперативных суточных заданий по бурению -центральная инженерно-технологическая служба (ЦИТС). К подразделениям основного производства относятся районные инженерно-технологические службы (РИТС), оперативно-объединяющие буровые бригады (ББ) и бригады по испытанию скважин (БИ). Районные инженерно-технологические службы осуществляют круглосуточный технологический контроль за ходом производственных процессов.
    Ряд служб подсобно-вспомогательного производства концентрируется в рамках базы производственного обслуживания (БПО) со специализацией по технологическому признаку.


12